浅析KYN28A-12型开关柜的燃弧故障及泄压灭弧结构设计

（城发集团（青岛）启盛投资开发有限公司，山东青岛 266500）

0.引言

KYN28A-12型铠装移开式交流金属封闭开关设备（以下简称开关柜）作为国内目前比较常见的一种高压开关柜，在电力系统中发挥着至关重要的作用，并且得到了广泛的应用。

近年来，随着电气标准不断完善，更加站在使用者的立场来考虑问题，而燃弧故障又将对人身及设备造成极大的危害，这显然与标准的修订相冲突。所以，认识故障电弧的危害并加以防护，是开关设备设计、制造和运行等部门的共同职责[1]。

燃弧故障发生过程是一个骤变的过程，它的主要特征是时间短、能量大、破坏力强。因此在设计和生产开关柜的时候，必须将燃弧故障问题作为首要考虑的因素，如何减少故障发生时带来的不必要危害，使损失降到最低，成为设计人员所面临解决的一个关键问题。

1.燃弧故障分析

1.1 燃弧故障原因

引起燃弧故障的原因多种多样，主要有[2]：

（1）操作和维护故障；（2）大气过电压和操作过电压；（3）固体绝缘材料的电气故障；（4）负荷开关、断路器或熔断器过载；（5）环境引起的电气故障。

1.2 燃弧故障柜体内气压变化

当开关柜内部发生燃弧故障时，故障电弧会在10ms内将温度提升到13000K，在15ms内将柜体内气压升高至2×105Pa～3×105Pa，能量大量释放，柜体内气压急剧上升，当柜内气体压力超过了泄压通道的额定压力时，通道打开，柜体内气体释放，压力降低。

燃弧故障试验中开关柜内气压变化如图1所示[3]。

图1 燃弧故障试验中开关柜内气压变化曲线

整个过程过程可分为4个阶段：

（1）压缩阶段：0～t1，从发生燃弧故障开始到泄压通道开始动作之前，柜体内出现大功率电弧，室内温度升高，气体受热快速膨胀，柜体内的气压呈线性快速上升。直至泄压通道开始动作，这一阶段才结束。（2）动作阶段：t1～t2，当柜体内气体压力到达一定值后，泄压通道开始动作，隔室内的气体通过泄压通道开始向外释放，柜体内气压上升速率减缓，该阶段的变化与泄压通道的各参数相关。（3）释压阶段：t2～t3，柜体上的释压通道完全打开到电弧完全熄灭，整个过程柜体内气压迅速释放。（4）稳定阶段：大于t3，压力释放结束，电弧完全熄灭，整个开关柜处于稳定状态。

1.3 燃弧故障危害

开关柜内部发生燃弧故障是一种突发的、毁灭性的严重故障，一旦故障发生，就会对设备及工作人员的安全产生严重威胁。当开关柜的内部发生燃弧故障时，故障电弧会迅速燃烧，释放高达几十兆瓦的热能，对周围绝缘气体加热，周围气体受热膨胀，使整个设备隔室的气压升高，会对设备产生强有力的机械效应和热效应。

对设备：柜门、隔板、连接件等在拉力或者剪切力的作用下会发生形变甚至脱离，如果开关柜的强度不足以支撑发生燃弧故障产生的破坏力时，整个柜体可能会被撕裂。

对人：故障发生时的热效应会冲击损坏柜体元器件，铜排等金属元器件迅速汽化，形成金属粒子流并携带其他灼热微粒向柜体外喷射，引起火灾甚至爆炸；汽化的过程中会产生毒气，在压力作用下，向柜体外排出，极易对开关柜附近的设备运行人员造成致命伤害。据统计，近几年来发生的电气事故引起人员伤亡的各项因素中，与燃弧故障有关的大于50%。

2.燃弧故障的防护

为避免燃弧故障造成危害，可以采取以下措施对故障电弧进行防护与限制：

（1）开关柜在生产过程中提高柜体抵抗内部燃弧故障的能力，合理设计壳体和绝缘子等来提高耐受能力，增强机械强度、改进压力释放通道，提高泄压能力；（2）对于使用的设备定期进行检查和维护，防止出现带电连接部位的松动现象；（3）及时的清洗和检验绝缘件；（4）将带电件加以绝缘保护，使用的元件进行过电压保护；（5）合理完善的五防联锁，能够确保操作人员不按照规定操作无法使柜子正常运行；（6）对操作人员进行专业培训，防止误操作。

通过以上办法的实施可以尽量避免内部燃弧故障事故的发生，保证设备安全可靠的运行。下面介绍一种能提高柜体抗内部燃弧故障能力的泄压灭弧结构设计方案。

3.泄压灭弧结构设计

3.1 灭弧装置原理

泄压通道中安装灭弧装置，灭弧装置结构如图2所示，其结构简单，主要由灭弧栅片和金属网格组成。

图2 灭弧装置结构图

燃弧故障产生的电弧及金属粒子流经过灭弧装置时，首先通过灭弧栅片，在灭弧栅片的作用下，将电弧分割成段，再依次通过金属网格，再次将电弧分割，整个过程就是不断分割的过程，电弧及金属粒子流由段到块再到点，一方面减小了电弧及金属粒子流的体积，另一方面增加了其与空气的接触面积，降低了电弧及喷射出来的粒子温度，实现将明火转换成烟雾的目的。

泄压灭弧通道安装在开关柜的顶端，如图3所示。故障电弧产生的气流沿泄压通道向上排出经过灭弧装置，避免气流从柜体正面排出，给附近的工作人员造成伤害。

图3 泄压灭弧通道位置示意图

3.2 对泄压灭弧通道的讨论

关于压力释放通道，没有明确的规定有多大。但是如果设计得太小，势必将阻止压力的释放进而危机相邻零部件，一般单独的通道应保证大于50mm2。通道中分隔板的层数也没有明确规定，如果分割层数太少，灭弧效果会大大降低；如果分割层数过多，开关柜内的气体膨胀泄压受阻，就会向柜体施压，压力过大，可能会将柜体撕裂，造成难以预计的后果。因此，并不是分隔板层数越多越好。

4.总结

燃弧故障对开关柜的破坏是非常强大的，通过设计合理的泄压灭弧结构及通道，可以有效的减少电弧及高压高温金属粒子流从柜体正面释放的几率，减小对设备的伤害，提高工作人员的安全系数，从而保证电力系统安全可靠运行。